Verfahren zur Optimierung des MSG-Schweißens mit Impulslichtbogen auf der Basis visueller und elektrischer Informationen

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1 Verfahren zur Optimierung des MSG-Schweißens mit Impulslichtbogen auf der Basis visueller und elektrischer Informationen Vom Fachbereich für Physik und Elektrotechnik der Universität Bremen zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTOR-INGENIEUR (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Stefan Nordbruch aus Stuttgart

2 Gutachter: Prof. Dr.-Ing. A. Gräser Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. habil G. Thiele Prüfer: Prof. Dr.-Ing. D. Popovic Prof. Dr.-Ing. W. Anheier Promotionskolloquium: 27. Januar 2005

3 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Automatisierungstechnik an der Universität Bremen und am Friedrich-Wilhelm-Bessel- Institut Forschungsgesellschaft m.b.h. Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. Axel Gräser, der es mir ermöglichte, meine wissenschaftliche Arbeit auf einem interessanten Gebiet auszuüben und mir den Freiraum gab, eigene Ideen zu entwickeln und umzusetzen. Weiter möchte ich meiner Prüfungskommission danken, zu nennen sind Herr Prof. Dr.-Ing. habil. Georg Thiele als zweiter Gutachter, sowie Herr Prof. Dr.-Ing. Dobrivoje Popovic und Herr Prof. Dr.-Ing. Walter Anheier als Prüfer. Meinen ehemaligen Kollegen danke ich für die Diskussionen, die Unterstützungen und die gute Zusammenarbeit. Zu nennen sind im speziellen Dr.-Ing. Christian Martens, Dipl.-Ing. Ulrich Krebs, Dipl.-Ing. Erwin Wendland und Dipl.-Ing. Lothar Renner. Ein besonderer Dank gilt Dr.-Ing. Petra Tschirner, die mit Ihren wertvollen Anregungen und Beiträgen sowie der Durchsicht des Manuskripts zum erfolgreichen Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Ebenso danke ich allen Studenten, die durch Ihre Studien- und Diplomarbeiten einen Beitrag zu dieser Arbeit geleistet haben. Des Weiteren bedanke ich mich bei der Firma EWM HIGHTEC WELDING GmbH und den Herren Prof. Dr.-Ing. Heinrich Hantsch und Dipl.-Ing. Hanno Riemer für die gute Zusammenarbeit innerhalb der Kooperationsprojekte. Zuletzt gilt mein ganz spezieller Dank meinen Eltern, meiner Schwester und meiner Freundin Yvonne, die mich während dieser Arbeit stets unterstützt und motiviert haben. Ohne Ihr Verständnis wäre die Verwirklichung dieser Arbeit nicht möglich gewesen. Stefan Nordbruch

4 Diese Arbeit ist meinem Vater gewidmet, der die Beendigung nicht mehr miterleben durfte.

5 Kurzfassung Die visuelle Beobachtung des Werkstoffübergangs und die Aufzeichnung der elektrischen Schweißsignale sind beim Metall-Schutzgasschweißen mit Impulslichtbogen von besonderer Bedeutung. Die Methoden werden in allen Phasen der Forschung, Entwicklung und Anwendung eingesetzt. Für die visuelle Beobachtung des Werkstoffübergangs werden in der Regel Hochgeschwindigkeitskameras mit einer zusätzlichen Beleuchtung eingesetzt, die für viele Anwendungen eine Reihe von Nachteilen aufweisen. Für eine automatische Auswertung von visuellen und elektrischen Informationen existieren keine Verfahren. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines Konzeptes und dessen Umsetzung für eine prozessbegleitende visuelle Beobachtung und Aufzeichnung des Werkstoffübergangs beim MSG- Schweißen mit Impulslichtbogen in Kombination mit einer synchronisierten Aufzeichnung der zeitlichen Verläufe relevanter elektrischer Schweißparameter beschrieben. Des Weiteren beinhaltet das Konzept die Auswertung der aufgezeichneten Informationen in Bezug auf relevante visuelle Prozesskenngrößen des Werkstoffübergangs und relevante elektrische Prozesskenngrößen der elektrischen Schweißparameter. Ziel des Konzeptes ist eine Inspektion, Analyse, Optimierung und Dokumentation des Schweißprozesses. Im Einzelnen werden folgende Aufgaben in der Arbeit behandelt: Die Entwicklung eines Konzeptes zur visuellen Beobachtung und Aufzeichnung des Werkstoffübergangs in Kombination mit einer synchronisierten Aufzeichnung von zeitlichen Verläufen relevanter elektrischer Schweißparameter. Die Untersuchung der hoch dynamischen CMOS-Kameratechnologie anhand von verschiedenen CMOS-Kameras in Bezug auf deren Eignung zur visuellen Beobachtung und Aufzeichnung des Werkstoffübergangs. Die Untersuchung berücksichtigt neben der Helligkeitsdynamik des Lichtbogens vor allem die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Werkstoffübergangstropfens. Zur besseren Beurteilung der Eigenschaften der CMOS-Technologie sind diese mit den Eigenschaften der CCD-Technologie anhand einer CCD-Kamera verglichen worden. Die Entwicklung von Verfahren zur automatisierten Ermittlung von Prozesskenngrößen aus den zeitlichen Verläufen relevanter elektrischer Schweißparameter. Die Entwicklung von Verfahren zur automatisierten Ermittlung von Prozesskenngrößen aus den visuellen Informationen des Werkstoffübergangs. Die Entwicklung von Verfahren zur Aufbereitung und Auswertung der ermittelten Prozesskenngrößen. Die Untersuchung der entwickelten Teilverfahren und des gesamten Sensorsystems auf deren Eignung für eine in späteren Arbeiten anzustrebende Regelung des Schweißprozesses auf der Basis der visuellen und elektrischen Prozesskenngrößen.

6 Abstract The visual observation of the metal transfer and the recording of electrical parameters of the pulsed gas metal arc welding are very important. These methods are used in all phases of research, development and application. Normally, high speed cameras in combination with an additionally lighting unit were used for the visual observation of the metal transfer. However, these systems have some disadvantages for many applications. Furthermore, no methods exist for the analysis of the recorded visual and electrical data. In this work the development and conversion of a concept for the visual online observation of all states of the metal transfer in combination with the simultanious and synchronized measurement of relevant electrical welding process signals (current, voltage, etc.) is described. Additionally, the concept contains the automatic analysis of the recorded data refering to relevant visual parameters of the metal transfer and relevant parameters of the electrical welding process signals. Aim of the concept is the inspection, analysis, optimisation and documentation of the welding process. In detail, this work focuses on the following tasks: The development of a concept for the visual observation of all states of the metal transfer in combination with the simultanious and synchronized measurement of relevant electrical welding process signals. The analysis of the high dynamic CMOS technology based on the applicability of differrent CMOS cameras for visual observation of the metal transfer. Important points of the analysis were the brightness dynamic of the arc, the velocity and the acceleration of the metal transfer drops. For a better evaluation of the characteristic and results of the CMOS technology, it has ben compared with the CCD technology (on the basis of a CCD camera). The development of methods for the automatic calculation of characteristic parameters out of the measured electrical welding signals. The development of methods for the automatic extraction of visual parameters out of the recorded metal transfer images. The development of methods for the automatic preparation and analysis of the caluculated visual and electrical parameters. The analysis of the developed methods and the entire sensor systems on their ability for a control of the process using the visual and electrical parameters as basis for future works.

7 I Inhaltsverzeichnis 1 Motivation, Einleitung und Gliederung Motivation Einleitung Gliederung Metall-Schutzgasschweißen Einordnung Verfahrensprinzip Lichtbogen Werkstoffübergang Verfahrensvarianten Unterscheidungsarten Impuls- und Kurzlichtbogen Impulslichtbogen Kurzlichtbogen Relevante Parameter und Einflussgrößen Fehler und deren Ursachen Stand der Technik und Problemanalyse Visuelle Beobachtung des MSG-Schweißprozesses und insbesondere des Werkstoffübergangs Anwendung der visuellen Beobachtung und der Aufnahme von elektrischen Schweißsignalen Zusammenfassung und Analyse des Stands der Technik Aufgabenstellung und Rahmenbedingungen Konzept zur Beobachtung, Inspektion, Analyse, Optimierung und Dokumentation Einleitung und Ziel Optimale Aufnahmefrequenz für die visuelle Beobachtung Synchronisation der visuellen Beobachtung Prozesskenngrößen Auswertung der ermittelten Prozesskenngrößen Zusammenfassung des Konzeptes Übertragbarkeit des Konzeptes auf das MSG-Schweißen mit Kurzlichtbogen Ermittlung elektrischer Schweißprozesskenngrößen Einleitung, Ziel und Rahmenbedingungen Verfahren zur Ermittlung der Prozesskenngrößen der Schweißstromstärke und der Schweißspannung Ziele Verfahrensprinzip Erzeugung des Steigungsmodells Bestimmung der Prozessvariante Bestimmung der charakteristischen Punkte Berechnung der Prozesskenngrößen Gesamtverfahren und Beispiele Verfahren zur Ermittlung der Prozesskenngrößen von gleichmäßigen (nicht periodischen) Signalen Ziele Prozesskenngrößenermittlung Beispiel...53

8 II 7 Untersuchung von Kameratechnologien in Bezug auf die Beobachtung des MSG- Werkstoffübergangs Einleitung, Rahmenbedingungen und Ziel CCD-Technologie Grundlagen, Funktionsweisen, Eigenschaften und Spezifikationen CCD-Kamera: PULNiX TM Allgemeine Eigenschaften und Spezifikationen Sensorarchitektur und Auslesevorgang Untersuchung der Abhängigkeiten von Shutterzeiten, Tropfenfluggeschwindigkeiten und der Abbildung des Tropfens auf dem Sensor Praktische Verifikation und Bewertung Hoch dynamische CMOS-Technologie Grundlagen, Funktionsweisen, Eigenschaften und Spezifikationen CMOS-Kamera: LOGLUX -HDRC Funktionsweise, Eigenschaften und Spezifikationen Allgemeine Eigenschaften und Spezifikationen Dynamik und Ausgangskennlinie Auslesen des Sensors Untersuchung und Verifikationen der theoretischen Eigenschaften, Entwicklung eines Kameraeinstellungsverfahrens und Bewertung Allgemeine Erprobung Verfahren zur optimalen Anpassung der Kennlinie Einleitung, Rahmenbedingungen und Ziel Zusammenhänge zwischen den Kameraparametern und dem Grauwerthistogramm Schätzungsverfahren Randproblematik bei sehr dunklen und überstrahlten Aufnahmen Beispiel für Schätzverfahren Praktische Untersuchung der Auswirkungen des klassischen Ausleseprinzips bzw. des Pixelshutters Bewertung CMOS-Kamera: Falldorf-FUGA Allgemeine Eigenschaften und Spezifikationen Ausgangskennlinie Auslesen des Sensors Praktische Erprobung und Bewertung CMOS-Kamera: Photonfocus MV-D1024k Allgemeine Eigenschaften und Spezifikationen LINLOG TM -Verfahren Sensorarchitektur für den globalen Shutter Untersuchung der Abhängigkeiten von Shutterzeiten, Tropfenfluggeschwindigkeiten und der Abbildung des Tropfens Praktische Verifikation der theoretischen Eigenschaften und Bewertung CMOS-Hochgeschwindigkeitskameras: Weinberger SPEEDCAM Visario und Redlake MotionPro Allgemeine Eigenschaften und Spezifikationen Untersuchung der Abhängigkeiten von Shutterzeiten, Tropfenfluggeschwindigkeiten und der Abbildung des Tropfens Beispielaufnahmen und Bewertung Zusammenfassung, Bewertung und Fazit Automatische Ermittlung visueller Prozesskenngrößen Voraussetzungen, Rahmenbedingungen und Ziele Automatische Ermittlung des Abbildungsmaßstabes...120

9 8.2.1 Grundlagen, Voraussetzungen und Rahmenbedingungen Verfahren zur automatischen Ermittlung des Abbildungsmaßstabes Prinzip und Ansatz des Verfahrens Aufgabenspezifische Schwellwertberechnung Bereichsermittlung für eine Vermessung der Drahtelektrode Ermittlung des Drahtelektrodendurchmessers und Berechnung des Abbildungsmaßstabes Zusammenfassung, Beispiele, Beurteilung und Fazit Automatische Ermittlung der visuellen Kenngrößen beim MSG-Schweißen mit Impulslichtbogen Ziele, Voraussetzungen und Rahmenbedingungen Bildvorverarbeitung HDRC -Kameraaufnahmen Voraussetzungen, Rahmenbedingungen und Ziel Adaptive Kontrastverstärkung Integrierte Verfahren Kontrastverstärkung mithilfe des Verfahrens von [Neyc93] Erweiterung des Verfahrens von [Neyc93] Ablauf und Demonstration des Verfahrens Kompensation örtlich variierender Beleuchtungseinflüsse und Sensorempfindlichkeiten CCD-Kameraaufnahmen Voraussetzungen, Rahmenbedingungen und Ziel Kantenbasierte Vorverarbeitung Segmentierung Voraussetzungen, Rahmenbedingungen und Ziel HDRC -Kameraaufnahmen Ausgangslage Anisotropie-Koeffizienten-Verfahren Beispiel CCD-Kameraaufnahmen Ausgangslage Ende der fallenden Flanke -Verfahren Beispiel Merkmalsextraktion Voraussetzungen, Rahmenbedingungen und Ziel Objektdetektion Ermittlung von Merkmalen D-Merkmale D-Merkmale Modellierungsansatz Volumen Oberfläche Beispiele für die Merkmalsextraktion Klassifikation Voraussetzungen, Rahmenbedingungen und Ziel Numerisch basierte Klassifikation Maximum-Likelihood-Klassifikator mit Mahalanobis-Distanz Verfahren zur Auswahl von Merkmalen für die Klassifikation Praktische Umsetzung der Merkmalsauswahl und der Klassifikation Umsetzung mit festdimensioniertem und lernenden Ansatz Umsetzung mit einem mehrstufigen Ansatz Softwaretechnische Umsetzungen III

10 IV Fazit und Bewertung Fuzzy-Logik basierte Klassifikation Verfahren zur Klassifikation Entwurf der Zugehörigkeitsterme, Regeln, usw Softwaretechnische Umsetzung Ergebnisse, Bewertung und Fazit Vergleich und Bewertung der Ansätze Zusammenfassung, Spezifikationen, Beurteilung und Fazit Statistische Auswertung und Prozesskontrolle Einleitung, Ziele und Rahmenbedingungen Statistische Auswertung Kennzahlen Beispiel Statistische Prozesskontrolle Kontrollkarten Einleitung Karten Prozessfähigkeit Beispiel Zusammenfassung, Fazit und Ausblick Anhang Grundlagen und Begrifflichkeiten der Radiometrie, Photometrie, Sensorik und Bildverarbeitung Einführung in die Bildverarbeitung Bildvorverarbeitung Segmentierung Merkmalsextraktion Einleitung Global verwendete Verfahren der Merkmalsextraktion Klassifikation Einleitung Einführung in die Fuzzy-Logik (basierte Klassifikation) Literaturverzeichnis Quellen und Verweise Veröffentlichungen...240

11 1 Motivation, Einleitung und Gliederung 1.1 Motivation Das Schweißen ist das im Handwerk und in der industriellen Fertigung am häufigsten angewandte Fügeverfahren. Trotz der weit verbreiteten Anwendung stellt sich das Schweißen mit zum Teil erheblichen Wissensdefiziten dar [Baes97]. Die amerikanische Industrie und der amerikanische Schweißverband bezeichneten das Schweißen auf einem Strategieworkshop im Jahr 2001 als ein empirisch basiertes Verfahren [Ener01]. Gründe für die Wissensdefizite und Einschätzungen sind unter anderem die Komplexität des Schweißens, die hohe Anzahl unterschiedlicher Schweißverfahren und die Vielfältigkeit von Prozess- und Störgrößen. Zum Verständnis aller Zusammenhänge sind umfangreiche Kenntnisse aus den Fachgebieten Physik, Chemie, Metallurgie, Thermodynamik, Elektrotechnik, Mechanik und Verfahrenstechnik notwendig. Für eine Verminderung der Wissensdefizite wurden eine Vielzahl von Zielen, Strategien und Lösungsansätzen erarbeitet und vorgestellt (siehe z. B. [Cull98] und [Ener01]). Eines der wichtigen Themen ist die Entwicklung von neuen Verfahren und Systemen zur Steigerung des Verständnisses der verschiedenen Schweißverfahren (z. B. durch verbesserte oder neue Beobachtungsmöglichkeiten), zur Vereinfachung der verschiedenen Schweißverfahren (z. B. durch Unterstützung bei der Einstellung von Prozessparametern) und zur Inspektion, Überwachung, Regelung und Dokumentation. 1.2 Einleitung Eines der am häufigsten verwendeten Schweißverfahren ist das Metall-Schutzgasschweißen (MSG- Schweißen) mit seinen verschiedenen Verfahrensvarianten. Gründe hierfür sind unter anderem, dass das Verfahren sowohl manuell als auch in unterschiedlichen Automatisierungsgraden eingesetzt werden kann, eine große Flexibilität aufweist und aufgrund von automatisch zugeführten Zusatzstoffen über eine hohe Schweißdauer verfügt. Das zentrale Phänomen des Metall-Schutzgasschweißens ist der Werkstoffübergang, d. h. die Überführung eines Zusatzstoffes innerhalb des Lichtbogens in das werkstückseitige Schweißbad. Für das menschliche Auge ist der Werkstoffübergang aufgrund der extremen Helligkeit des Lichtbogens und der Geschwindigkeit des Vorgangs nicht sichtbar. Der Werkstoffübergang wird durch eine Vielzahl von elektrischen Schweißparametern beeinflusst. Die wechselseitige Beziehung der Parameter bestimmt in einem hohen Maß die resultierende Fertigungsqualität. Die vorliegende Arbeit leistet für das MSG-Schweißen einen Beitrag zur Vereinfachung der Prozessanalyse, -optimierung und -dokumentation. Für die Verfahrensvariante Impulslichtbogen werden Methoden und Verfahren zur visuellen Beobachtung des Werkstoffübergangs, zur Ermittlung von visuellen und elektrischen Prozesskenngrößen sowie deren statistische Aufbereitung entwickelt und vorgestellt. Im Einzelnen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit den Themen: Entwicklung eines Konzeptes zur visuellen Beobachtung und Aufzeichnung des Werkstoffübergangs in Kombination mit einer synchronisierten Aufzeichnung von zeitlichen Verläufen relevanter elektrischer Schweißparameter und einer Auswertung der aufgezeichneten Daten Untersuchung von Kameratechnologien und -systemen in Bezug auf deren Eignung für die visuelle Beobachtung und Aufzeichnung des Werkstoffübergangs Entwicklung von Verfahren zur automatisierten Ermittlung von Prozesskenngrößen aus zeitlichen Verläufen relevanter elektrischer Schweißparameter Entwicklung von Verfahren zur automatisierten Ermittlung von Prozesskenngrößen aus visuellen Informationen der Lichtbogenzone und im speziellen des Werkstoffübergangs 1

12 2 1 Motivation, Einleitung und Gliederung Entwicklung von Verfahren zur statistischen Aufbereitung und Auswertung der ermittelten Prozesskenngrößen 1.3 Gliederung In Kapitel 2 wird eine Einführung in das MSG-Schweißen gegeben. Neben einer allgemeinen Darstellung des Verfahrens werden der Lichtbogen, der Werkstoffübergang, die verschiedenen Verfahrensvarianten und einige grundlegende Fehler des Fertigungsprozesses beschrieben. Der Stand der Technik und die vorhandenen Probleme des MSG-Schweißens in Bezug auf die vorliegende Arbeit werden in Kapitel 3 erläutert und analysiert. Basierend auf dieser Analyse werden in Kapitel 4 die konkrete Aufgabenstellung der Arbeit, deren Rahmenbedingungen und eine Abgrenzung zum Stand der Technik beschrieben. In Kapitel 5 werden die Ansatzpunkte, das Prinzip und der Ablauf einer neuen Methode für eine kombinierte und synchronisierte Erfassung von visuellen Informationen des Werkstoffübergangs und relevanten elektrischen Schweißparametern sowie für eine Auswertung der aufgezeichneten Informationen vorgestellt. Die detaillierte Beschreibung der Verfahren zur automatisierten Ermittlung von Prozesskenngrößen aus zeitlichen Verläufen der relevanten elektrischen Schweißparameter stellt Kapitel 6 vor. In Kapitel 7 wird untersucht, inwieweit aktuelle Kameratechnologien und -systeme für die visuelle Beobachtung und Aufzeichnung der Vorgänge innerhalb der Lichtbogenzone und im speziellen des Werkstoffübergangs geeignet sind. Die relevanten Eigenschaften verschiedener Charge-Coupled- Device- und hoch dynamischer Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-Kameras, sowie deren zugrunde liegenden Technologien, werden vorgestellt, analysiert, am Schweißprozess verifiziert und bewertet. Die konkrete Entwicklung von verschiedenen Verfahren zur Ermittlung von Prozesskenngrößen aus visuellen Informationen der Lichtbogenzone und des Werkstoffübergangs beschreibt Kapitel 8. Verfahren zur statistischen Aufbereitung und Auswertung der ermittelten Prozesskenngrößen stellt Kapitel 9 vor. Abschließend folgt in Kapitel 10 eine Zusammenfassung und Bewertung der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen, entwickelten Verfahren und erzielten Ergebnisse.

13 2 Metall-Schutzgasschweißen Das Kapitel gibt eine Einleitung in das Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen, engl.: gas metal arc welding, GMAW). Die Einführung beinhaltet eine Einordnung des Verfahrens innerhalb der Schweißtechnik sowie Beschreibungen des Verfahrensprinzips, des Lichtbogens, des Werkstoffübergangs und der verschiedenen Verfahrensvarianten. Zusätzlich werden einige grundlegende Fehler des Fertigungsprozesses sowie deren Ursachen vorgestellt. Aufgrund der Komplexität des MSG-Schweißverfahrens ist die Einführung auf die Anforderungen dieser Arbeit begrenzt. Für detailliertere Beschreibungen sei unter anderem auf [OBri91], [Fahr94], [Dilt94], [Kill91], [Sche85] und [Corn88] sowie für die speziellen Themen der Unterkapitel auf die dort aufgeführten Literaturquellen verwiesen. 2.1 Einordnung Das Lichtbogenschweißen wurde 1885 erfunden und beinhaltet eine Reihe von unterschiedlichen Schweißverfahren. Eines der heute industriell bedeutendsten Lichtbogenschweißverfahren ist das um 1950 erfundene MSG-Schweißen. Die Eingliederung des Lichtbogenschweißens und des MSG- Schweißverfahrens innerhalb der Schweißtechnik zeigt Bild Bild 2.1: Einordnung des Metall-Schutzgasschweißens [DIN1910] 2.2 Verfahrensprinzip Beim MSG-Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden massiven Drahtelektrode. Das Werkstück und das Drahtelektrodenende werden aufgrund der Wärmeentwicklung des Lichtbogens angeschmolzen. Durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Kräfte wird ein Metalltropfen von der Drahtelektrode abgelöst und in das werkstückseitige Schweißbad überführt. Die Drahtelektrode wird hierbei dem Schweißprozess mithilfe einer Fördereinrichtung kontinuierlich zugeführt. Zur Vermeidung von unerwünschten chemischen Reaktionen zwischen dem Schweißprozess und der umgebenden Atmosphäre wird ein Schutzgas verwendet. Dieses Schutzgas strömt aus einer die Drahtelektrode konzentrisch umgebenden Düse aus und schützt das Schweißbad, die Drahtelektrode und den Lichtbogen vor der Atmosphäre. Bild 2.2 verdeutlicht den Aufbau und das Prinzip des MSG-Schweißverfahrens.

14 4 2 Metall-Schutzgasschweißen Bild 2.2: Aufbau und Prinzip des Metall-Schutzgasschweißens [DIN1910] 2.3 Lichtbogen Der Lichtbogen ist für das MSG-Schweißen von besonderer Bedeutung. Das Entstehungs- und Funktionsprinzip sowie einige optische Eigenschaften (Strahlung, Intensitäten, usw.) werden im Folgenden beschrieben. Entstehungs- und Funktionsprinzip Der Lichtbogen ist eine Bogenentladung zwischen dem Werkstück und der Drahtelektrode in einem Gas durch Ionisation der Gasmoleküle. In der Regel ist die atmosphärische Luft ein schlechter Leiter für den elektrischen Strom. Ist der Abstand zwischen dem Werkstück und der Drahtelektrode jedoch klein und die angelegte Spannung hoch, so kann es zu einer Gasentladung, d. h. der Bildung eines Lichtbogens kommen. Bild 2.3: Ladungstransport innerhalb des Lichtbogens In dem sich zwischen Werkstück und Drahtelektrode aufbauenden elektrischen Feld werden elektrisch geladene Teilchen (Elektronen) auf den gegennamigen Pol beschleunigt. Auf dem Weg zur Anode treffen die Elektronen mit hoher Energie auf Gasmoleküle, die durch den Zusammenstoß in ihre Atome zerlegt werden. Die positiven Ionen bewegen sich zur Kathode, die negativ geladenen Ionen und die aus der Atomhülle herausgelösten Elektronen entsprechend zur Anode. Auf dem Weg zur Anode können die Elektronen durch weitere Stoßvorgänge wieder Gasmoleküle ionisieren. Ein durch diesen Vorgang zum elektrischen Leiter gewordenes Gas wird auch als Plasma bezeichnet. Wie im Bild 2.3 dargestellt, wird im so gebildeten Lichtbogen in beiden Richtungen Ladung transportiert. Dieser Vorgang, auch Stoßionisation genannt, ist in erster Linie für die Lichtbogenbildung von Bedeutung. Für die Lichtbogenerhaltung sind im Wesentlichen die Feld- und die Glühemission verantwortlich. Unter der Feldemission wird der Austritt von Elektronen aus Metallen aufgrund eines anliegenden Feldes verstanden. Beim Anlegen des elektrischen Feldes werden die Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt, wodurch aus dem Metall neue Elektronen austreten können. Die Glühemission ist der Austritt von Elektronen aus der Oberfläche aufgrund von zugeführter thermischer Energie.

15 2.4 Werkstoffübergang 5 Strahlung, Spektrum und Intensitäten Die Ionisation der Gasmoleküle bewirkt eine elektromagnetische Strahlung mit einem speziellen Spektrum. Kennzeichen eines solchen Spektrums ist, dass einem kontinuierlichen Spektrum ein Linienspektrum überlagert ist. Bild 2.4 stellt diese Eigenschaft an einem Beispiel dar. Je nach Schweißprozess, Schweißgeräteinstellungen und Materialien ändern sich die Strahlung und das Spektrum. Bild 2.4: Beispiel eines Lichtbogenspektrums [Schi01] Ein Teil der Strahlung befindet sich im für den Menschen sichtbaren Bereich. Die aus den Spektren resultierenden Intensitäten bzw. Helligkeiten, d. h. die vom menschlichen Auge wahrgenommenen Farbwerte, können beim Schweißen bis zu 10 6 Abstufungen aufweisen [Graf95]. 2.4 Werkstoffübergang Der Werkstoffübergang im Lichtbogen ist ein komplexer Prozess und wird durch eine Vielzahl von Mechanismen und Parametern beeinflusst. Durch die Wärmeentwicklung des Lichtbogens wird sowohl das Werkstück als auch das Drahtelektrodenende verflüssigt. Ausgelöst durch ein Zusammenspiel verschiedener Kräfte wird ein flüssiger Metalltropfen von der Drahtelektrode abgelöst und in das werkstückseitige Schweißbad überführt. Die Art und Form, wie der Tropfen von der Drahtelektrode in das Schweißbad übergeht, kann dabei je nach Verfahrensvariante unterschiedlich sein. Kräfte beim Werkstoffübergang Der Werkstoffübergang wird von Kräften beeinflusst, welche die Tropfenablösung fördern, als auch von solchen, die die Ablösung erschweren. In der Literatur, wie zum Beispiel in [Fahr94], [Eich89], [Kill91], [Sche85] und [Corn88], werden folgende Kräfte genannt: Gravitationskräfte Oberflächenkräfte flüssiger Schmelzen Elektromagnetische Kräfte Plasmaströmungen der Gase und des Metalldampfs Gas- und Dampferuptionen durch in der Schmelze ablaufende chemische Reaktionen oder Verdampfungen bei Überhitzung der Schmelze Externe magnetische Zusatzkräfte Externe mechanische Zusatzkräfte Die Gravitation zieht den Tropfen beim Schweißen in waagerechter und senkrechter Schweißposition nach unten. Ist das Gewicht des Tropfens auf einen kritischen Wert angestiegen, so wird dieser gegen die Wirkung der Oberflächenspannung von der Drahtelektrode abgelöst. Die Gravitation ist bei einigen Schweißprozessen von großer Bedeutung, aber nicht alleinige Übergangskraft, da sonst kein Überkopfschweißen möglich wäre. Die Viskosität und die Oberflächenspannung eines schmelzflüssigen Tropfens wirken der Ablösung entgegen und sind abhängig vom verwendeten Metall. Beide nehmen zum Beispiel mit zunehmender Temperatur ab, sodass sich feinere Tropfen bilden können.

16 6 2 Metall-Schutzgasschweißen Elektromagnetische Kräfte wirken auf jeden stromdurchflossenen Leiter. Die Wirkungslinie dieser nach dem Physiker Lorenz benannten Lorenzkraft steht jeweils senkrecht zum Eigenmagnetfeld und gleichzeitig senkrecht zur jeweiligen Stromflussrichtung. Bild 2.6 stellt diesen Zusammenhang schematisch dar. Die Lorenzkraft versucht, den elektrischen Leiter radial einzuschnüren. Dieses ist in der Schweißtechnik als Pincheffekt (engl. to pinch = drücken) bekannt. Die Pinchkraft wirkt selbstverstärkend, indem sie weiter wächst, wenn sich durch beginnende Einschnürung der stromführende Leiterquerschnitt verkleinert. Mit zunehmender Einschnürung entsteht eine axiale Kraftkomponente, die den ablösenden Tropfen in Richtung Schmelzbad beschleunigt. Bild 2.5: Kräfte beim Werkstoffübergang in schematischer Darstellung [Kill91] Durch den Pincheffekt entsteht am Drahtelektrodenende eine wesentlich größere Stromdichte als im werkstückseitigen Schmelzbad. Folge davon ist eine Kompression des Eigenmagnetfeldes am Drahtelektrodenende und damit eine größere radiale Kraftwirkung des Magnetfeldes. Diese führt über die gesamte Länge des Lichtbogens zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Druckes und damit zu einer Strömung des Plasmas mit hoher Geschwindigkeit. Die entstehende Sogwirkung der Strömung unterstützt die Ablösung des Tropfens und ermöglicht unter anderem einen Werkstoffübergang gegen die Gravitation. Bild 2.6: Pincheffekt und dessen Kräfte auf die Drahtelektrode [Kill91] Die Ablösung des Tropfens von der Drahtelektrode und seine Beschleunigung in Richtung Werkstück werden zudem durch expandierende Gase unterstützt. Ein Tropfen, der sich im Lichtbogen bildet, nimmt mit steigender Temperatur in Abhängigkeit von seiner Löslichkeit große Mengen von Gasen auf. Bei sinkender Temperatur werden diese Gase wieder ausgeschieden. Beim Schweißen führt dies zu einer explosionsartigen Ausscheidung der Gase unterhalb der Drahtelektrodenspitze und damit zur Ablösung und unter Umständen zur Zerstäubung des Tropfens. Bild 2.5 zeigt noch zwei weitere Kräfte, die den Werkstoffübergang beeinflussen. Zum einen übt der Lichtbogen selbst statische Kräfte aus, die den Tropfen anheben. Zusätzlich kann es, wenn der Lichtbogen punktförmig am Tropfen ansetzt, zu einer starken Überhitzung und einer resultierenden Verdampfung des Metalls führen. Der austretende Dampfstrahl wirkt wie eine Rückstoßkraft und kann den Tropfen anheben, an der Ablösung hindern oder seitlich wegschleudern. Zudem treten noch mechanische Kräfte auf, die die Tropfenablösung beeinflussen. Diese resultieren entweder aus Schwingungen des Brennervorschubsystems oder können durch ein periodisches Anschmelzen der Drahtelektrode am Kontaktrohr entstehen. Die Kräftebilanz ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, wie Grundwerkstoff, Schutzgas, Zusatzstoffen, Schweißposition, Schweißparametern, Schweißstromquellendynamik und einigen weiteren Einflussgrößen.

17 2.5 Verfahrensvarianten 7 Werkstoffübergangformen In Abhängigkeit vom Schweißverfahren und einer Vielzahl von Schweißparametern beeinflussen unterschiedliche Effekte den Werkstoffübergang. Daraus resultieren unterschiedliche Werkstoffübergangsformen, die in [DIN1910] grob in die Gruppen Freier Tropfen, Grobtropfiger Übergang, Feintropfiger Übergang und Kurzschlussübergang eingeteilt sind. In [Lanc79], [Dilt76], [Sche85] und [Kill84] werden für eine detailliertere Einteilung weitere Merkmale verwendet, wie z. B. die Tropfenform. Bild 2.7 stellt eine daraus resultierende Einteilung dar. Werkstoffübergangsformen Kurzschlussübergang Freier Tropfenflug Globular Explodierend Sprühübergang Fallend Zurücktreibend Rotierend Bild 2.7: Einteilung der Werkstoffübergangformen Fließend Unterteilt wird der Werkstoffübergang im ersten Ansatz zwischen dem Kurzschlussübergang und dem Freien Tropfenflug. Projektil a.) b.) Bild 2.8: Werkstoffübergangsformen in schematischer Darstellung (Auswahl) a.) Kurzschlussübergang b.) Freier Tropfenflug (speziell Projektilübergang) Beim Kurzschlussübergang wird der Metalltropfen über eine Kurzschlussbrücke von dem Drahtelektrodenende in das Schmelzbad überführt. Bild 2.8a stellt dies schematisch dar. Beim Übergang Freier Tropfenflug geht der Metalltropfen, wie der Name ausdrückt, im freien Flug von der Drahtelektrode zum Schmelzbad über. Es existiert kein Kontakt zwischen dem Drahtelektrodenende und dem Schmelzbad, wie Bild 2.8b darstellt. Der Übergang ist in die Untergruppen Globular, Sprühübergang und Explodierend gruppiert, die zum Teil weiter unterteilt sind. 2.5 Verfahrensvarianten Die Vielseitigkeit des MSG-Schweißprozesses führte zur Entwicklung von verschiedenen Verfahrensvarianten mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsbereichen Unterscheidungsarten Nach [DIN1910] wird das MSG-Schweißen anhand der eingesetzten Schutzgase und der Art des Lichtbogens unterteilt. Unterscheidung nach Schutzgas Bei der Unterscheidung nach Schutzgasen wird zwischen dem Metall-Inertgasschweißen (MIG- Schweißen) und dem Metall-Aktivgasschweißen (MAG-Schweißen) unterschieden. Beim MIG- Schweißen werden chemisch inaktive Edelgase verwendet, wie z. B. Argon. Die Gase beeinflussen die Ausbildung des Lichtbogens, reagieren jedoch nicht mit dem Schweißbad. Beim MAG- Schweißen werden chemisch aktive Edelgase verwendet, wie z. B. Kohlendioxid. Diese Gase beeinflussen die metallurgischen Vorgänge im Lichtbogen und im Schweißbad. Das MAG-Verfahren wird zum Schweißen unlegierter und niedriglegierter Baustähle, das MIG-Verfahren zum Schweißen höher legierter Stähle und Nichteisen-Metallen, wie zum Beispiel Aluminium und Kupfer, eingesetzt.

18 8 2 Metall-Schutzgasschweißen Unterscheidung nach Lichtbogenart Die Unterscheidung in Bezug auf die Lichtbogenart ist abhängig von der verwendeten Spannung der Schweißenergiequelle und dem verwendeten Schutzgas, die alle wiederum die Werkstoffübergangsform beeinflussen. Im Allgemeinen wird der Prozess in die fünf Varianten Kurz-, Übergangs-, Sprüh-, Lang- und Impulslichtbogen unterteilt. Neben diesen Varianten treten in letzter Zeit noch Sonder- und Mischformen auf, die hier allerdings nicht weiter beschrieben werden. Tabelle 2.1 stellt den Zusammenhang zwischen den Lichtbogenformen, den Werkstoffübergangsformen und dem Auftreten von Kurzschlüssen, d. h. dem Erlöschen und Wiederanzünden des Lichtbogens dar. Die Lage der Lichtbogenarten im Spannung/Stromstärke-Diagramm stellt Bild 2.9 dar. Tabelle 2.1: Unterscheidung des MSG-Schweißverfahrens Variante Werkstoffübergangscharakteristiken Sprühlichtbogen fein- bis feinsttropfig kurzschlussfrei, gleichmäßig Langlichtbogen grobtropfig unregelmäßig im Kurzschluss, teils kurzschlussfrei Übergangslichtbogen grobtropfig unregelmäßig im Kurzschluss Kurzlichtbogen feintropfig im Kurzschluss, gleichmäßig Impulslichtbogen einstellbar kurzschlussfrei, gleichmäßig Spannung [V] Bild 2.9: Lichtbogenbereiche beim MSG-Schweißen in schematischer Darstellung Impuls- und Kurzlichtbogen Für die vorliegende Arbeit sind das Impuls- und Kurzlichtbogenverfahren von Interesse, die im Folgenden vorgestellt werden. Für Beschreibungen der weiteren Verfahren bzw. für weiterführende Informationen wird zum Beispiel auf [Corn88], [Dilt94], [Fahr94] und [Kill91] verwiesen Impulslichtbogen Die Beschreibung des Impulslichtbogenverfahrens beinhaltet das Verfahrensprinzip sowie eine Vorstellung der charakteristischen elektrischen Prozesskenngrößen und der verfahrenstechnischen Prozessspezifikationen. Verfahrensprinzip Dem Impulslichtbogenverfahren liegt ein pulsierender Verlauf des Schweißstroms und der eingebrachten Energie zugrunde. Der Stromverlauf wird durch einen niedrigen Grundstrom und einem überlagerten periodischen Impulsstrom mit einstellbarer Frequenz erzeugt. Der pulsierende Verlauf der Schweißstromstärke wird erreicht, indem die Schweißstromquelle periodisch zwischen zwei Arbeitspunkten umschaltet. Für die Einstellung der Grund- und Impulsphase müssen mindestens Drahtvorschubgeschwindigkeit, Impulsphasenzeit, Grundphasenzeit, Impulsspannung, Impulsstrom und Grundstrom aufeinander abgestimmt werden. Bild 2.10 stellt den Vorgang des Werkstoffüber-

19 2.5 Verfahrensvarianten 9 gangs in Abhängigkeit zu den zeitlichen Verläufen der Schweißstromstärke und -spannung schematisch dar. Spannung Stromstärke Bild 2.10: Zusammenhang von Werkstoffübergang, Schweißstromstärke und Schweißspannung beim Impulslichtbogenschweißen (schematisch) In einer Reihe von modernen Schweißstromquellen wird heutzutage eine Abwandlung der zeitlichen Verläufe der Schweißstromstärke und -spannung verwendet. In die abfallende Flanke des Impulses wird eine horizontale Verlaufskomponente integriert. Die Komponente wird unter anderem auch als Rucksack 1 bezeichnet. Bild 2.11 stellt die modifizierten Verläufe der Schweißstromstärke und der Schweißspannung schematisch dar. Ziel der integrierten Phase ist die Erzeugung eines relativ konstanten Feldes zur Zeit der Flugphase und als Folge eine ruhigere Überführung des abgelösten Tropfens in das Schweißbad. Bild 2.11: Schweißstromstärke und Schweißspannung beim Impulslichtbogenschweißen mit Rucksack (schematisch) Unabhängig vom eingesetzten Modell ( Standard oder Rucksack 2 ) wird durch die Stromimpulse ein im Rhythmus der Impulsfrequenz gesteuerter Tropfenübergang erreicht. Charakteristische elektrische Prozesskenngrößen Die Verläufe der Schweißstromstärke und -spannung werden in der Literatur und speziell bei modernen Schweißenergiequellen durch eine Vielzahl von Parametern beschrieben. Die Gängigen sind im Folgenden aufgeführt. Mittelwert für Stromstärke I m und Spannung U m Effektivwert für Stromstärke I eff und Spannung U eff Pulsphasenwert für Stromstärke I p und Spannung U p Grundphasenwert für Stromstärke I g und Spannung U g Dauer t per und Frequenz f per einer Periode Dauer der Pulsphase t p und der Grundphase t g Dauer der positiven Pulsphasenflanke t ppf und der negativen Pulsphasenflanke t npf Existiert eine Rucksackphase, werden zudem noch die folgenden Parameter verwendet: Rucksackphasenwert für Stromstärke I r und Spannung U r Dauer der Rucksackphase t r und der negativen Pulsrucksackphasenflanke t nrf 1 Bezeichnung wird im Folgenden verwendet 2 Modellbezeichnungen werden im Folgenden verwendet

20 10 2 Metall-Schutzgasschweißen Bild 2.12 stellt alle Parameter für das (Standard-) Impulslichtbogenschweißen und Bild 2.13 für das Impulslichtbogenschweißen mit Rucksack grafisch dar. Bild 2.12: Charakteristische Parameter einer Periode von Schweißstromstärke und Schweißspannung beim Impulslichtbogenschweißen Bild 2.13: Charakteristische Parameter einer Periode von Schweißstromstärke und Schweißspannung beim Impulslichtbogenschweißen mit Rucksackphase Verfahrenstechnische Prozessparameter Als günstigste Werkstoffübergangsform, bei einem nicht zu hohen Gesamtstrom, gilt beim Impulslichtbogenschweißen der Übergang eines Tropfens pro Impuls. Bezeichnet wird dieser Übergang im Allgemeinen als Ein-Tropfen-Pro-Impuls-Übergang. Der Durchmesser der übergehenden Tropfen liegt je nach Einstellung der Schweißparameter zwischen 0,5- und 1,5-mal des Drahtelektrodendurchmessers [Sche85]. Als optimal wird ein Durchmesser in etwa des Drahtelektrodendurchmessers angesehen [Dorn88] [Grot93]. Als geometrische Form wird in der Regel ein runder Tropfen als vorteilhaft bewertet, da dieser bezogen auf dessen Volumen die minimale Oberfläche aufweist [Dorn88]. In Abhängigkeit von den Werk- und Zusatzstoffen sowie der Einstellung der Schweißparameter treten beim Impulslichtbogenschweißen Frequenzen von 25 bis 250 Hz [Eich85] und Impulszeiten zwischen 1 und 3 ms auf [Baum90] [Matz90]. Die Tropfen erreichen Fluggeschwindigkeiten zwischen 20 und 200 cm/s [Grot93] [Jaco92] [Eich85] [Sche85] und Beschleunigungen beim Abriss von der Drahtelektrode von bis zu 3 km/s 2 [Sche85].

21 2.5 Verfahrensvarianten Kurzlichtbogen Die Beschreibung des Kurzlichtbogenverfahrens beinhaltet das Verfahrensprinzip sowie eine Vorstellung der charakteristischen elektrischen Prozesskenngrößen und der verfahrenstechnischen Prozessspezifikationen. Verfahrensprinzip Beim Kurzlichtbogenschweißen bildet sich am Drahtelektrodenende unter Einfluss der Lichtbogenwärme ein kleiner Tropfen. Durch eine kontinuierliche Drahtzufuhr, dessen Vorschubgeschwindigkeit größer als die Schmelzgeschwindigkeit ist, wird der entstehende Tropfen zum Schmelzbad geschoben. Es entsteht ein Kurzschluss zwischen Drahtelektrode und Schmelzbad, wodurch der Lichtbogen erlischt. Durch die Oberflächenspannung des Bades wird der Tropfen weiter in die Schmelze hineingezogen. Die Verbindung zwischen der Drahtelektrode und dem Schmelzbad wird auch als Kurzschlussbrücke oder Tropfenhals bezeichnet. Durch die Kurzschlussbildung sinkt die Spannung ab und die Stromstärke steigt stark an. Die steigende Stromstärke bewirkt eine zunehmende Einschnürung durch den Pincheffekt und eine steigende Temperatur innerhalb des Tropfens. Die rasch abnehmende Verbindung zwischen der Drahtelektrode und dem Schweißbad wird so stark erhitzt, dass diese verdampft. Drahtelektrode und Schmelze werden dadurch getrennt und ein neuer Lichtbogen gezündet. Dieser Zyklus wiederholt sich immer wieder von Neuem und es kommt auf diese Weise zu einem regelmäßigen Wechsel von Kurzschluss- und Lichtbogenbrennphasen. Bild 2.14 stellt den Vorgang des Werkstoffübergangs in Abhängigkeit zu den zeitlichen Verläufen der Schweißstromstärke und der Schweißspannung schematisch dar. Bild 2.14: Zusammenhang von Werkstoffübergang, Schweißstromstärke und Schweißspannung beim Kurzlichtbogenschweißen (schematisch) Charakteristische elektrische Prozesskenngrößen Die Verläufe der Schweißstromstärke und -spannung werden in der Literatur und speziell bei modernen Schweißenergiequellen durch eine Vielzahl von Parametern beschrieben. Die Gängigen sind im Folgenden aufgeführt und im Bild 2.15 grafisch dargestellt. Mittelwert der Stromstärke I m und Spannung U m Effektivwert der Stromstärke I eff und Spannung U eff Maximaler Wert der Stromstärke I p Mittelwert der Stromstärke I l und Spannung U l in der Lichtbogenbrennphase Mittelwert der Stromstärke I k und Spannung U k in der Kurzschlussphase Dauer t per und Frequenz f per eines Periodendurchgangs

22 12 2 Metall-Schutzgasschweißen Dauer der Kurzschlussphase t k und der Lichtbogenbrennphase t l Dauer der abfallenden Flanke der Spannung t fk (Kurzschlussbildung) Dauer der steigenden Flanke der Spannung t fl (Lichtbogenbildung) U U l U m U eff U k t fk t fl t t k t l I t per I p I k I m I eff I l Bild 2.15: Charakteristische Parameter einer Periode von Schweißstromstärke und Schweißspannung beim Kurzlichtbogenschweißen Verfahrenstechnische Prozessparameter Die Frequenz des regelmäßigen Wechsels von Kurzschluss- und Lichtbogenbrennphasen und die Zeit in dem ein Kurzschluss vorliegt sind stark vom Werkstoff, Schutzgaszusammensetzung, Schweißstromstärke und -spannung abhängig. Für die Frequenz wird zum Beispiel in [Baum90] ein Bereich von 50 bis 150 Hz und für die Kurzschlussphasenzeit werden zum Beispiel in [Nemc98] und [Hira96] Zeiten im Bereich von 1 bis 4 ms genannt. 2.6 Relevante Parameter und Einflussgrößen Um eine optimale Schweißnaht zu erhalten, müssen konstruktionsrelevante, werkstoffrelevante und prozessrelevante Parameter berücksichtigt werden. Konstruktionsrelevante Parameter sind in diesem Zusammenhang zum Beispiel Blechdicke, Fugenart, Fugengeometrie und Schweißposition. Die physikalischen Eigenschaften (Dichte, Wärmeleitfähigkeit, spezifisches Gewicht, usw.) und die chemische Zusammensetzung von Werk- und Zusatzstoffen definieren die Gruppe der werkstoffrelevanten Parameter. Die prozessrelevanten Parameter können grob in die Gruppen Konstant und Veränderlich unterteilt werden. Die konstanten Parameter werden in der Regel vor der Schweißung definiert. Zu dieser Gruppe zählen zum Beispiel: Verfahrensvariante (Impulslichtbogen, Kurzlichtbogen, usw.) Schutzgas (Art und Menge) Brennereinstellung und Kontaktrohrabstand Streckenenergie (Vorwärmtemperatur, Abkühlzeit, usw.) Drahtelektrodendurchmesser t

23 2.7 Fehler und deren Ursachen 13 Die veränderlichen Parameter werden während der Schweißung an die Rahmenbedingungen angepasst. Beispiele für diese Parameter sind: Schweißgeschwindigkeit Lichtbogenleistung Schweißstromstärke und -spannung (inklusive aller beschreibenden Parameter) Drahtvorschubgeschwindigkeit und Abschmelzleistung Die Parameter aller Bereiche (konstruktions-, werkstoff- und prozessrelevant) sind auf komplexe Weise voneinander abhängig und nicht vollständig mathematisch erforscht und modelliert. In den meisten Fällen sind allerdings die qualitativen Zusammenhänge aus einer Vielzahl von Versuchen und aus der Erfahrung heraus bekannt. Für einen Überblick sei z. B. auf [Park93] verwiesen. 2.7 Fehler und deren Ursachen Wie bei allen Fertigungsverfahren treten auch beim Schweißen eine Vielzahl von Fehlern mit unterschiedlichen Entstehungsursachen auf. Nahezu alle Fehler an Schmelzverbindungen sowie teilweise deren Ursache werden in [DIN8524], [Baue91] und [Dilt95] aufgeführt. [Dilt95] unterteilt die Fehlerursachen in: Fehler durch unsachgemäße Fertigung Werkstoffverursachte Schweißfehler Korrosion Die häufigsten Schweißfehler entstehen durch eine unsachgemäße Fertigung. Im Folgenden werden einige relevante Fehler dieser Gruppe sowie deren Ursachen vorgestellt. Je nach Lage relativ zur Nahtoberfläche werden die Fehler in äußere und innere Nahtfehler unterteilt. Relevante äußere Nahtfehler sind Schweißspritzer, Einbrand- und Randkerben. Bindefehler, unverschweißte Stellen, Einschlüsse und Poren sind relevante innere Nahtfehler. Spritzer sind Metalltropfen, die nach dem Entstehen außerhalb der Naht oder auf der bereits erstarrten, noch heißen Nahtoberfläche auftreten. Bild 2.16: Werkstück mit Schweißnaht und einigen markierten Spritzern a.) b.) c.) Bild 2.17: Beispiele zur Spritzerentstehung inkl. Entstehungsursachen a.) Herausschleudern von Spritzern aus dem Schmelzbad durch zu schnelles Eintauchen der Tropfen in das Schmelzbad u. a. infolge von nicht optimalen Schweißparametern b.) Spritzerentstehung infolge von zerplatzenden Tropfen u. a. aufgrund von zu hohen Schweißspannungen c.) Spritzerentstehung durch Zerreißen der Kurzschlussbrücke u. a. infolge von zu hoher Strombelastung und Überhitzung des Metallfadens [Sche85]

24 14 2 Metall-Schutzgasschweißen Neben Werkstoffverlusten beeinflussen Spritzer unter bestimmten Bedingungen die Schweißnahtgüte ungünstig und verursachen Zusatzkosten durch Nacharbeit. Ursachen für Spritzer sind unter anderem die Verwendung von nicht optimalen Schweißparametern und falschen Zusätzen. Je nach Ursache entstehen Spritzer auf unterschiedliche Weise. Bild 2.17 stellt drei Möglichkeiten der Spritzerentstehung schematisch dar. Einbrand- und Randkerben sind rinnenförmige, oft schlackegefüllte Vertiefungen am Übergang zwischen angeschmolzenem Grundwerkstoff und Schweißgut. Eine häufige Ursache für die Entstehung der Kerben ist eine zu hohe Schweißspannung. Bindefehler sind unverschweißte Stellen zwischen Grundwerkstoff und Schweißgut oder einzelnen Schweißlagen. Ein vorlaufendes Schmelzbad, hervorgerufen durch eine zu hohe Stromstärke, ist zum Beispiel eine Ursache für Bindefehler. Bei der mechanischen Porenbildung werden infolge der Schweißwärme expandierende Gase eingeschlossen. Eine Ursache der Porenbildung ist zum Beispiel, dass das Schweißgut aufgrund einer zu hohen Schweißgeschwindigkeit nicht ausreichend ausgegast ist.

25 3 Stand der Technik und Problemanalyse In diesem Kapitel wird der Stand der Technik vorgestellt und analysiert. Der Schwerpunkt liegt aufgrund der Vielfältigkeit und der Komplexität der Schweißtechnik beim MSG-Schweißen. Im Fokus der Betrachtungen stehen die visuelle Beobachtung des Werkstoffübergangs beim Impulslichtbogenschweißen und die Aufzeichnung von elektrischen Schweißsignalen sowie deren Auswertung aus der Sicht der Bild- und Messsignalverarbeitung. Grund hierfür ist, dass die Zusammenhänge des Werkstoffübergangs und der elektrischen Schweißsignale in einem hohen Maße die Qualität der Schweißung bestimmen (Kapitel 2). Damit sind zum Beispiel nach [Knoc86] und [Siew97] die elektrischen Schweißsignale bzw. deren Kenngrößen in Kombination mit visuellen Kenngrößen des Werkstoffübergangs die optimale Grundlage für Systeme und Verfahren zur Parameterauswahl, Parameteroptimierung, Überwachung, Inspektion und Regelung. Im Folgenden werden Verfahren zur visuellen Beobachtung des MSG-Schweißprozesses und insbesondere des Werkstoffübergangs beschrieben. Im Anschluss wird der Stand der Technik von Einsatzgebieten vorgestellt, die eine visuelle Beobachtung und eine Aufzeichnung der elektrischen Schweißsignale verwenden. Am Ende des Kapitels wird der Stand der Technik zusammengefasst und analysiert. Für einen Überblick über weitere Sensoriken, Systeme, Steuerungs- und Regelungsverfahren sei unter anderem auf die in Tabelle 3.1 aufgeführten Literaturquellen verwiesen. Tabelle 3.1: Auswahl von Literaturverweisen für spezielle Themen Literaturquelle Thema 15 [Nomu94] [Naid98] [Suga98] Überblick über Sensoriken, Steuerungs- und Regelungssysteme in der Schweißtechnik Überblick und Status von Steuerungs- bzw. Regelungsstrategien für das MSG-Schweißen Status der automatisierten Inspektion von Schweißaufgaben 3.1 Visuelle Beobachtung des MSG-Schweißprozesses und insbesondere des Werkstoffübergangs Die visuelle Beobachtung des Werkstoffübergangs ist eines der ältesten und mit am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Analyse des MSG-Schweißprozesses und insbesondere des Werkstoffübergangs. Gründe hierfür sind die Komplexität des Prozesses, die relativ schnellen Vorgänge im Lichtbogen und die extremen Lichtbedingungen. Im Folgenden werden einige Verfahren zur visuellen Beobachtung vorgestellt. Unterteilt sind die Verfahren bezüglich der Verwendung bzw. Art von zusätzlichen Beleuchtungsquellen. Verfahren mit zusätzlicher Beleuchtungsquelle im Gegenlichtverfahren Aufgrund der aufgeführten Probleme (Lichtverhältnisse, Geschwindigkeiten, usw.) werden heutzutage in der Regel digitale Hochgeschwindigkeitsvideokameras auf der Basis der Charge-Coupled- Device-Technologie (CCD, dt.: ladungsgekoppelte Schaltung/Bauelemente) in Verbindung mit einer zusätzlichen Beleuchtung als Gegenlichtquelle zur Beobachtung des Werkstoffübergangs eingesetzt. Die zusätzliche Beleuchtung ist aufgrund der geringen Dynamik der Kameras von ungefähr 50 bis 70 db (siehe Kapitel 7) in Bezug zu der Helligkeitsdynamik des Lichtbogens von bis zu 120 db (siehe Kapitel 2.3) notwendig. In der Regel wird ein optischer Laser mit vorgeschaltetem Beam-Expander als Lichtquelle zur Kontrasterhöhung der Lichtbogenzone verwendet. Da der Laser seine Energie auf einer Lichtwellenlänge abgibt, überstrahlt er bei dieser Wellenlänge den Lichtbogen. Durch einen schmalbandigen Kamerafiltervorsatz kann die gesamte Lichtemission des Lichtbogens in den anderen Wellenlängenbereichen ausgeblendet werden. Im Gegenlichtverfahren eingesetzt, ergibt sich dadurch ein maximaler Kontrast zwischen der Hintergrundbeleuchtung durch